無砟軌道路基翻漿整治用聚氨酯固結(jié)體的性能

葉盛 王迅 靳靜 梁小勇 李棟

1.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所， 濟(jì)南 250031； 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031；3.河北科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 石家莊 050018； 4.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063

我國地域廣闊，高速鐵路沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，路基填料性質(zhì)差異較大，加之受高頻動(dòng)荷載等因素影響，有的無砟軌道路基產(chǎn)生了翻漿冒泥病害。無砟軌道路基翻漿會(huì)劣化基床表層與軌道結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)，改變列車動(dòng)荷載沿路基深度方向的傳遞路徑，從而影響高速鐵路線路的平順性、列車運(yùn)行的安全性和舒適性，因此需要采取有效措施整治［1-2］。

聚氨酯注漿是整治無砟軌道路基翻漿病害的有效措施。對(duì)于注漿工藝、聚氨酯固結(jié)體力學(xué)性能和注漿效果有一些研究。文獻(xiàn)［3-4］通過分析無砟軌道路基翻漿原因和整治效果，給出了鉆孔間距、鉆孔深度、注漿壓力等參數(shù)的建議值。文獻(xiàn)［5-6］基于現(xiàn)有注漿技術(shù)，提出注漿整治優(yōu)化方案。文獻(xiàn)［7-9］通過室內(nèi)抗拉、抗壓試驗(yàn)分析了不同配合比聚氨酯固結(jié)體的力學(xué)性能，提出了基床翻漿整治用聚氨酯配合比參數(shù)。文獻(xiàn)［10］建立無砟軌道路基室內(nèi)注漿試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析了基床表層處于正常狀態(tài)、浸水飽和和翻漿注膠加固后無砟軌道路基動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

既有研究很少考慮環(huán)境因素對(duì)聚氨酯固結(jié)體力學(xué)性能的影響，而水與溫度均會(huì)影響聚氨酯固結(jié)體的物理形態(tài)及力學(xué)性能［11-16］。因此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究水和高低溫循環(huán)作用對(duì)聚氨酯固結(jié)體表觀性能和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)了水混合、水浸泡及高低溫循環(huán)三種工況。各工況控制參數(shù)和測(cè)試項(xiàng)目見表1。其中，摻水率是水與聚氨酯漿體的質(zhì)量比。

表1 各工況控制參數(shù)和測(cè)試項(xiàng)目

2 試樣制備與測(cè)試

2.1 聚氨酯漿體制備

制備聚氨酯漿體的配合比為PM-200 型多亞甲基多苯基異氰酸酯∶聚醚多元醇A∶聚醚多元醇B∶1，4-丁二醇∶二甲苯=150∶50∶90∶27∶25。

制備過程：①根據(jù)設(shè)計(jì)配合比，稱量聚醚多元醇A與聚醚多元醇B，并加熱至110 ～ 120 ℃，冷卻至室溫，然后加入1，4-丁二醇，攪拌均勻，標(biāo)記為組分A；②根據(jù)設(shè)計(jì)配合比，稱量PM-200 型多亞甲基多苯基異氰酸酯與二甲苯，攪拌均勻，標(biāo)記為組分B；③將組分A和組分B混合并攪拌均勻，即為聚氨酯漿體，用于力學(xué)性能測(cè)試試樣的制備。

2.2 試樣制備與測(cè)試

根據(jù)表1，量取一定量的水加入漿體中。按照J(rèn)C/ T 2041—2020《聚氨酯灌漿材料》制備并養(yǎng)護(hù)不同摻水率試樣，用于水混合工況聚氨酯固結(jié)體體積膨脹率的測(cè)試。按照GB/ T 2567—2021《樹脂澆鑄體性能實(shí)驗(yàn)方法》制備并養(yǎng)護(hù)試樣，用于水混合工況聚氨酯固結(jié)體抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度測(cè)試。按照J(rèn)C/ T 1041—2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》制備并養(yǎng)護(hù)試樣，用于水混合工況聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。

按照GB/ T 2567—2021 制備并養(yǎng)護(hù)試樣，用于水浸泡工況和高低溫循環(huán)工況聚氨酯固結(jié)體質(zhì)量增長率、體積膨脹率以及抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度測(cè)試。按照J(rèn)C/ T 1041—2007制作并養(yǎng)護(hù)試樣，用于水浸泡工況和高低溫循環(huán)工況聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。具體方法為：將養(yǎng)護(hù)成型的試樣分別放入水箱中浸泡或放入高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱中進(jìn)行高低溫循環(huán)，達(dá)到設(shè)定的控制參數(shù)后取出，用于相應(yīng)指標(biāo)測(cè)試。用于水浸泡工況聚氨酯固結(jié)體質(zhì)量增長率、體積膨脹率測(cè)試，浸泡3 個(gè)月的試樣標(biāo)記為A 組，浸泡6 個(gè)月的試樣標(biāo)記為B組。

不同工況抗壓強(qiáng)度試樣、彈性模量試樣均為邊長20 mm的淺黃色立方體。不同工況抗拉強(qiáng)度試樣尺寸均一致，見圖1。不同工況聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度試樣的厚度設(shè)置1、3 mm兩種，見圖2。

圖1 聚氨酯固結(jié)體抗拉強(qiáng)度試樣（單位：m）

圖2 聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度試樣

不同工況抗壓強(qiáng)度試樣組數(shù)見表2。彈性模量試樣、抗拉強(qiáng)度試樣、黏結(jié)強(qiáng)度試樣組數(shù)均與抗壓強(qiáng)度試樣相同。每組制備3 個(gè)試樣，取其測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)值。

表2 不同工況抗壓強(qiáng)度試樣制備數(shù)量

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水混合工況聚氨酯固結(jié)體性能

1）表觀性能

高齡產(chǎn)婦因?yàn)閼言械臅r(shí)候年齡偏大，卵子分裂的過程中容易發(fā)生染色體異常，導(dǎo)致胎兒染色體類疾病，也就是先天缺陷的機(jī)會(huì)明顯增高，而且胎兒染色體畸形的發(fā)病率呈指數(shù)升高，其中21—三體的發(fā)病率升高尤為突出。

水混合工況聚氨酯固結(jié)體的體積膨脹率變化曲線見圖3?？芍弘S摻水率增加，聚氨酯固結(jié)體體積膨脹率逐漸增大，且體積膨脹率與摻水率近似呈二次函數(shù)關(guān)系。摻水率小于等于0.3%時(shí)，隨摻水率增加，體積膨脹率增長較緩慢；摻水率大于0.3%時(shí)，體積膨脹率增長變快。摻水率0.1%時(shí)體積膨脹率僅4.5%，摻水率0.3%時(shí)體積膨脹率32.9%，摻水率1.0%時(shí)體積膨脹率達(dá)到最大值，為1.62。

圖3 水混合工況聚氨酯固結(jié)體體積膨脹率

為進(jìn)一步探究體積膨脹機(jī)理，在兩個(gè)塑料杯中分別加入等量的聚氨酯漿體（漿體體積為塑料杯容積的1/2），然后在其中一個(gè)塑料杯中摻入1%（水與聚氨酯漿體的質(zhì)量比）的水，充分?jǐn)嚢杈鶆?，觀察聚氨酯漿體的變化。最終形態(tài)見圖4。

圖4 聚氨酯漿體遇水表觀變化

通過觀察發(fā)現(xiàn)：與未摻水時(shí)相比，摻水后聚氨酯漿體化學(xué)反應(yīng)速度加快，有明顯的膨脹現(xiàn)象?；瘜W(xué)反應(yīng)完成后，分別按壓聚氨酯固結(jié)體表面，發(fā)現(xiàn)摻水后固結(jié)體松軟。這是因?yàn)樗c異氰酸酯發(fā)生化合反應(yīng)生成脲和二氧化碳，部分二氧化碳沒有被排出，從而在聚氨酯固結(jié)體內(nèi)部形成不均勻氣泡，使其體積膨脹，降低了聚氨酯固結(jié)體的硬度。

2）力學(xué)性能

不同摻水率時(shí)聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量見圖5。

圖5 聚氨酯固結(jié)體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨摻水率變化曲線

由圖5可知：隨摻水率增加，聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量均逐漸減小，且減幅隨摻水率增加而增大。摻水率0.1%時(shí)聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為34.1、19.4、62.4 MPa，摻水率0.5%時(shí)聚氨酯固結(jié)體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為5.3、4.8、14.5 MPa。與未摻水時(shí)相比，摻水率0.1%時(shí)聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量分別減小6.1%、15.3%、9.4%，摻水率0.5%時(shí)聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別減小85.4%、79.0%、79.0%。原因是：①水與異氰酸酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，從而在聚氨酯固結(jié)體內(nèi)部形成大小不一的氣泡；②聚氨酯固結(jié)體強(qiáng)度與固結(jié)體軟硬段比例正相關(guān)，其中硬段是由異氰酸酯與擴(kuò)鏈劑（本文中為1，4-丁二醇）化合反應(yīng)形成，而水量的增加會(huì)減少聚氨酯固結(jié)體中硬段占比，從而降低聚氨酯固結(jié)體的強(qiáng)度，因此摻水率越多，聚氨酯固結(jié)體強(qiáng)度越低。

不同摻水率和厚度下聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度見表3?？芍壕郯滨ス探Y(jié)體厚度相同時(shí)，隨摻水率增加，聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，且降幅隨摻水率增大而增大。摻水率相同時(shí)，聚氨酯固結(jié)體厚度越大，黏結(jié)強(qiáng)度越小。與未摻水時(shí)相比，摻水率0.1%時(shí)，厚度為1、3 mm 的聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度分別減小5.7%、23.5%，摻水率0.5%時(shí)，厚度為1、3 mm的聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度分別減小17.1%、50.0%。

表3 不同摻水率和厚度下聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度

3.2 水浸泡工況聚氨酯固結(jié)體性能

1）表觀性能

不同浸泡時(shí)間下聚氨酯固結(jié)體的質(zhì)量和體積對(duì)比分別見表4、表5。

表4 浸泡前與浸泡3個(gè)月聚氨酯固結(jié)體質(zhì)量和體積對(duì)比

表5 浸泡前與浸泡6個(gè)月聚氨酯固結(jié)體質(zhì)量和體積對(duì)比

由表4、表5 可知：與浸水前相比，浸泡3 個(gè)月時(shí)試樣A1、A2、A3 質(zhì) 量 分 別 增 長 了0.36%、0.47% 和0.35%，體積分別增長了0.74%、0.79%、0.80%；浸泡6 個(gè)月時(shí)試樣B1、B2、B3 質(zhì)量分別增長了0.59%、0.47%、0.47%，體積分別增長了1.21%、1.28%、1.19%。這說明：①水浸泡后因吸收水分聚氨酯質(zhì)量增加，但增幅很??；②從總體上看，水浸泡的時(shí)間越久，聚氨酯固結(jié)體的質(zhì)量增長率與體積膨脹率越大，但增幅很小，因此可認(rèn)為水浸泡對(duì)聚氨酯固結(jié)體的體積和質(zhì)量影響很小。

2）力學(xué)性能

不同浸泡時(shí)間下聚氨酯固結(jié)體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量對(duì)比見表6?？芍号c未浸水時(shí)相比，浸水3 個(gè)月時(shí)聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量分別減少0.28%、0.58%，而抗拉強(qiáng)度保持不變；浸水6 個(gè)月聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度保持不變，抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別減少了0.44%、0.87%。

表6 不同浸泡時(shí)間下聚氨酯固結(jié)體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量對(duì)比

不同浸泡時(shí)間和厚度下聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)比見表7。可知，與未浸水時(shí)相比，厚度為1、3 mm的聚氨酯固結(jié)體，不論是浸泡3 個(gè)月還是浸泡6 個(gè)月，其黏結(jié)強(qiáng)度基本保持不變。

表7 不同浸泡時(shí)間和厚度下聚氨酯固結(jié)體黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)比

綜上，水浸泡對(duì)聚氨酯固結(jié)體力學(xué)性能影響很小。這說明注漿完成后，外部水的侵入或長時(shí)間浸潤不會(huì)降低無砟軌道底座板與基床表層間聚氨酯固結(jié)體的表觀性能和力學(xué)性能。

3.3 高低溫工況聚氨酯固結(jié)體力學(xué)性能

不同高低溫循環(huán)次數(shù)下聚氨酯固結(jié)體抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度見表8?？芍弘S高低溫循環(huán)次數(shù)增加，聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均下降，但降幅很小。與未進(jìn)行高低溫循環(huán)時(shí)相比，高低溫循環(huán)10、20、30 次時(shí)聚氨酯固結(jié)體抗壓強(qiáng)度分別減小1.38%、2.20%、4.96%，抗拉強(qiáng)度分別減小3.49%、4.80%、6.99%。本次試驗(yàn)高溫50 ℃，低溫-30 ℃。因此可認(rèn)為，底座板與基床表層間溫度在-30 ～ 50 ℃波動(dòng)時(shí)，聚氨酯固結(jié)體可以保持良好的力學(xué)性能。

表8 不同高低溫循環(huán)次數(shù)下聚氨酯固結(jié)體抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

4 結(jié)論

1）水與聚氨酯漿體直接混合時(shí)，聚氨酯固結(jié)體的體積膨脹率隨摻水率增加而逐漸增大，摻水率不大于0.3%時(shí)聚氨酯固結(jié)體的體積膨脹率變化幅度較小。聚氨酯固結(jié)體力學(xué)性能指標(biāo)隨摻水率增加而逐漸減少，與未摻水時(shí)相比，摻水率0.1%時(shí)聚氨酯固結(jié)體力學(xué)性能指標(biāo)變化幅度較小，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度和彈性模量分別減小6.1%、15.3%、5.7%（厚度1 mm）、9.4%，摻水率大于0.1%時(shí)聚氨酯固結(jié)體力學(xué)性能指標(biāo)明顯下降。

2）從總體上看，隨水浸泡時(shí)間增加，聚氨酯固結(jié)體的質(zhì)量增長率與體積膨脹率增大，但增幅很小。水浸泡對(duì)聚氨酯固結(jié)體力學(xué)性能指標(biāo)影響不大。

3）隨高低溫循環(huán)次數(shù)增加，聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸減小，但減幅很小。高低溫循環(huán)30 次后聚氨酯固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別減小4.96%、6.99%。環(huán)境溫度在-30 ～ 50 ℃波動(dòng)時(shí)，聚氨酯固結(jié)體可以保持良好的力學(xué)性能。